波形腹板钢箱梁的全流程智能制造技术.pdf

Jun.20232023年6 月Structural EngineersVol.39,No.3第39 卷第3期程师构结波形腹板钢箱梁的全流程智能制造技术袁文金姜红张潮忠（甘肃博睿交通重型装备制造有限公司，兰州7 30 30 0）摘要为了推进钢结构桥梁向智能制造领域快速转型升级，本文结合G312清水驿至傅家窑段改建工程，对结构复杂、焊接难度高的波形腹板钢箱梁结构智能制造过程进行分析。首先将标准箱体拆分成各个独立的单元件，然后将各单元件进行智能化组焊，最后将完整的单元件通过自动化设备进行拼装焊接形成完整的箱体。同时针对该类结构的生产成本与生产效率同传统制造方式进行了对比，总结了新型波形腹板钢箱梁的全流程智能制造技术的优势及推广价值，为今后钢结构桥梁传统制造向智能制造推广应用提供经验。关键词智能制造，钢箱梁，波形腹板，全流程Full Process Intelligent Manufacturing Technology of SteelBox Girder with Corrugated WebsYUANWenjinJIANG HongZHANG Chaozhong(Gansu Borui Traffic Heavy Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Lanzhou 730300,China)Abstract In order to promote the rapid transformation and upgrading of the steel bridge to the intelligentmanufacturing field,based on reconstruction project of G312 Qingshuiyi to Fujiayao section,the intelligentmanufacturing process of steel box girder with corrugated webs,which is complex in structure and highlydifficult in welding,is analyzed.First,the standard box is divided into individual units,and then each unit isintelligently assembled and welded.Finally,the complete units are assembled and welded by automaticequipment to form a complete box.The production cost and efficiency of this kind of structure are comparedwith the traditional manufacturing method.The advantages and popularization value of the full processintelligent manufacturing technology of the new-type steel box girder with corrugated web are summarized.Thiswork can provide reference for the popularization and application of intelligent manufacturing of steel bridgesin the future.KeywordsIntelligent manufacturing,steel box girder,corrugated web,full process0引 言目前，国内钢结构桥梁结构形式多样，并且无标准型、通用型结构形式，致使钢结构桥梁在工业化、标准化、智能化制造等方面实现难度较大。国内钢结构加工厂家在钢结构桥梁制作中，主要工序及重点工序控制均为人工完成，整体作业面较为粗放，产品质量控制工作量较大2 ,仅在一些简单、标准、规范的单元件上可以实现自动化作业，整体钢结构桥梁制造自动化水平较低，行业制造水平升级迫在眉睫3。因此，实现钢结构桥梁的智能制造需要设计、制造、安装各方统筹配合，规范产品结构形式、企业加工设备升级，才能确保收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 3联系作者：袁文金（1 9 8 5-），男，汉，甘肃民勤，硕士，高级工程师，研究方向为公路桥梁工程研究。E-mail：32 6 5 5 6 2 1 5 q q.c o m166EngineeringConstructionStructural EngineersVol.39,No.3钢结构桥梁的高质量建造4。甘肃省推广的一种新型波形腹板钢混组合梁结构形式新颖，已趋于标准化、通用型设计，不仅为公路钢结构桥梁的标准化智能制造提供了平台，也对公路钢结构桥梁的标准化、智能化生产及推广应用提供了便利条件5 。在钢结构桥梁中，波形腹板箱梁由于其波形腹板与顶板和底板交界处的焊缝总体呈波浪形，其加工制作难度比直腹板箱梁更大。本文以甘肃省推广应用的新型波形腹板钢混组合梁中的钢梁为例，详细介绍了波形钢腹板箱梁的全流程智能制作过程，为实现钢结构桥梁的智能制造提供了一种技术参考。1方案介绍1.1智能系统的设计波形腹板钢混组合梁的钢结构在加工过程中主要由底板单元、隔板单元、顶腹板单元各自完成后再进行整体组装焊接形成完整的钢箱梁，如图1 所示。其中底板单元包括底板和底板上的加劲肋，隔板单元包括竖向横隔板、加劲肋、横向钢板及焊钉连接件，顶腹板单元包括波形腹板、纵向顶板和焊钉连接件。隔板单元顶腹板单元顶腹板单元底板单元图1波形腹板钢梁Fig.1Steel beam with corrugated webs全流程智能制造生产方案设计在满足整线产能需求的前提下，波形腹板钢混组合梁的各单元互相独立运行形成单元站，加工完成后最终在总装单站上拼装焊接形成完整箱体，各单站建设数量以整装产能要求为基础进行匹配设计，单站建设数量以总产能设计需求而定，满足整线产能需要；各单站之间物料运转规划流畅，存储区域符合生产节拍设计(6 。具体结构框架主要由上位机、控制柜、机械臂、焊机、轨道、识别传感器等装置等组成，如图2 所示。通过操作平台或上位机发布生产线控制指令，控制柜控制机器人自动检测工件焊缝位置，根据检测数据自动规划焊接路径并调用相应焊接工艺参数，完成对工件焊接，并反馈给上位机所需的相关过程数据信息上传本地信息（以太网）(以太网）机器人实时工作状态，更改焊接作业时的电流、上位机/工业电脑焊脚高度电压，易耗品信息等辊道启停及反馈工业PC(DI、D O)操作屏PLC控制柜控制焊接焊接机器人焊机图2 结构框架Fig.2Frame of construction整线建设单站主要包含底板单元站、隔板单元站、顶腹板单元站、总装单元站四大类。目的是实现顶板与波形腹板、底板与波形腹板的熔透焊缝智能自动化焊接。以下针对四类单元站进行逐一介绍。1.2底板单元站底板单元站的设计同时考虑了板肋及U肋组焊兼容问题，实现板肋/U肋自动打磨、组装、定位点焊、反变形胎架焊接、焊后矫正及单元接缝等功能，预留存储(修补)工位,适用于多种不同规格板肋型式，能够较好的兼容同类工件不同尺寸的变化。此工作站具有一套龙门架系统，在龙门架系统一侧同时倒挂安装两套焊接机器人，在龙门架安装机器人侧配有可同时兼容U肋、板肋的定位压紧装置、板肋导向装置，龙门架的另一侧设有自动打磨系统、划线系统。底板单元站如图3所示。工作流程如下：根据工件底板宽度和肋板间的距离对设备进行调整，人工调整胎架工件侧面定位块位置、调整打磨头之间距离、调整板肋板压紧装置之间的距离（肋板压紧装置固定梁设有标尺）、调整端头定位装置之间距离（滑台设有标尺）、安装板肋夹紧手指，并将龙门架行驶到起始点位。设备调整完成后，人工将底板吊运到机器人组焊工位胎架上，用胎架上的卡扣将底板压紧定位；操作人员退出机器人工作区域，确认机器人工作区域没有人后，龙门架移动到打磨起始位，打167结构工程师第39 卷第3期工程施半龙门架系统机器人控制柜反变形焊接胎架焊机组装胎架机器人升降轴图3底板单元站Fig.3The bottom plate unit station磨头保持恒力向下压开始打磨，打磨完成后，龙门架回到原位；将端头定位装置移动到工作位，龙门架移动至安装肋板指定位置，人工将板肋依次吊运到底板上，使板肋的一端放人龙门架上的未压紧的肋板定位装置的手指之间;另一侧插人到端头定位装置手指中，定位好后，用压板压紧；操作人员退出机器人工作区域，确认机器人工作区域没有人后，启动机器人组焊焊接程序；门架移动到焊接起始位，板肋板定位手指夹紧，肋板压紧装置下压；机器人开始执行点固焊接作业，通过激光引导焊枪快速准确找到焊缝位置，依次焊接第一个组焊位置点所有板肋板的点固工作；第一个组焊点点焊完成，压紧装置升起，板肋定位手指仍然保持夹紧状态，龙门架行走至下一个需要焊接点固位置，压紧装置下压，然后进行点固焊接；继续下一点，直至完成这一组肋板点固；焊接完成后龙门架回到原位；人工将端头定位装置的压板松开，并将端头定位装置退回到避让位置；将点固好的板肋工件吊运至焊接工位或储存工位。底板单元站作业流程如图4所示（图中的DNC指网络化数控机床、MES指生产制造集成智能化系统、SCAD指数据采集系统）。MES异常异常物料DNC推送MES浏览汇报处理确认匹配加工行车MES上线自动底板底板底板反变形底板底板检验吊装扫码定位打磨划线点焊焊接矫正拼接流程MESSCADA完工汇报读取参数MES工序流转图4底板单元站作业流程Fig.4Operation procedure of the bottom plate unit station1.3隔板单元站隔板单元焊接工作站系统应用机器人免示教技术，生产过程中无需人工编程及示教，能够兼容同类工件不同尺寸的变化。拥有3D扫描识别焊缝、自动生成机器人焊接程序、点激光起点和终点检测、焊缝跟踪、焊接监控、板肋焊缝包角技术等功能隔板单元焊接采用视觉识别技术自动识别焊缝，板肋焊缝双侧采用2 个机器人同时焊接，顶板、人孔圈角焊缝由单个机器人完成，隔板单站采用中心定位，两侧布置工作台。隔板单元站如图5 所示。工作流程如下：隔板单元备料到位，工作台1上料，机器人自动识别焊缝进行焊接；焊接完成后机器人移动至工作台2 进行焊接，工作台1 进行翻面；工作台2 焊接完成后，焊接工作台1，对工作台168EngineeringConstructionStructural EngineersVol.39,No.3机机器人控制柜机器人2机器人13D扫描传感器图5隔板单元站Fig.5Clapboard unit station2进行翻面，再焊接工作台2；工作台1 下料后，再上料。详细流程如图6 所示（图中的DNC指网络化数控机床、MES指生产制造集成智能化系统、SCAD指数据采集系统）。MES工位异常物料MES技术确认DNC推送匹配加工文件浏览异常汇报处理行车MES隔板自动识别检验MES完工吊装上线扫码焊接焊接流程汇报SCAD读取MES工序状态参数流转图6 隔板单元站作业流程Fig.6Operation procedure of clapboard unit station该单元站使用了自适应编程技术与激光传感器识别技术。相对于常用的机器人系统示教编程技术和离线编程技术，自适应编程技术可实现自感知、自决策、自执行，无须专业的编程技术人员即可自动生成焊接路径，更加适合加工厂柔性化生产需求,并且降低对操作使用人员的技能水平。同时可根据传感器识别反馈数据自动匹配相对应的补板节点形式，自动匹配不同节点形式的焊接路径，节点形式库可无线添加。对于工件的识别方式，采用先进的激光传感器识别记录焊缝的起始和末端位置，和焊丝触碰产生电流反馈识别方式比较